合作设计基于mcu的数字式电容ESR表

小鬼头

abbey_tom 发表于 2023-12-5 21:02
解释一下RAMP V的原理，
还有PULSE SIG与您说的V0的关系。

ramp v部分，在上面最后一个分析里已给出解析。sig与Vo的关系，上面也给出大部分的“答案”，明天再分析一下他各个关键参数为什么这样设置。这些参数包括恒流激励电流I、ac放大器的放大倍数、激励充电脉冲宽度及周期、锯齿波发生器的rc取值。

不一定要使用内置比较器的mcu。从成本及制作难度考虑，我认为比较可取的代替方案可能是：1、内置dac功能的mcu。这样可省去锯齿波发生器电路（我前面说能省去这电路的3只bjt，并不准确，因为此处要求高，不能只靠IO的新特性来实现，需要有dac功能才行）。2、再配上一块合适的廉价双运放。这样，可担负起ac放大器和比较器的功能，能让外围电路元件数量可得到明显减少。

也可以使用内置adc的mcu。能省去比较器和锯齿波电路，但ac放大器仍不能省。由于这种mcu价钱会贵一些，不一定比上面的方案好。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2023-12-6 21:16
ramp v部分，在上面最后一个分析里已给出解析。sig与Vo的关系，上面也给出大部分的“答案”，明天再分 ...

这个正好是我想要提的方案，
上次准备好的3元钱的MCU，
本身就带有DAC的，
价钱不是问题，
但也无须这个RAMP V部分，
连DAC也不需要。
直接通过采样V0的值，
与内部虚拟锯齿波数据进行“比较”
只是不知响应速度的要求如何

washu

小鬼头 发表于 2023-12-6 21:16
...不一定要使用内置比较器的mcu。从成本及制作难度考虑，我认为比较可取的代替方案可能是：1、内置dac功能的mcu。这样可省去锯齿波发生器电路（我前面说能省去这电路的3只bjt，并不准确，因为此处要求高，不能只靠IO的新特性来实现，需要有dac功能才行）。2、再配上一块合适的廉价双运放。这样，可担负起ac放大器和比较器的功能，能让外围电路元件数量可得到明显减少。

锯齿波是基于它那个没有 ADC 的单片机要实现 ADC，现代单片机都有 ADC，不需要

TT 用的 M328 内部就带 G=20 的 PGA，我还说了一句咋这个也是 G=20


所以 TT 不用任何外部器件就能实现 ESR 测量，我当初就建议你们直接抄袭 TT，不需要任何模拟电路 什么时代了测个 ESR 还搞一大堆模拟电路，你们烦不烦

washu

abbey_tom 发表于 2023-12-6 21:36
这个正好是我想要提的方案，
上次准备好的3元钱的MCU，
本身就带有DAC的，

看最前面，我一开始就建议你们参考（抄袭）TT 的 ESR 测量方案

这是我见过的，基于 MCU，最简单的方案：任何模拟电路都不需要，完全靠 M328 的 IO 特性，片内 ADC 及其 G=20 的 PGA 实现

小鬼头

washu 发表于 2023-12-6 21:53
锯齿波是基于它那个没有 ADC 的单片机要实现 ADC，现代单片机都有 ADC，不需要

TT 用的 M328 内部就 ...

我不玩mcu，所以对如何更高效地利用mcu的性能来简化电路不了解，所以，在abbey提出合作后，只能循模拟电路的方向来进行构思。


刚翻看14年前的帖子（即我开始设计指针式esr表之前发的主题帖），发现我在1楼贴的数字esr表电路，竟然就是现在我正进行分析的电路，完全一模一样：

http://www.crystalradio.cn/forum.php?mod=viewthread&tid=97163

jimtien

20年前的东西，价值不大啰！

玩单片机，难以超越TT。作者研究深入，从atmega8到atmega644，都有实验数据，其他人连移植到别的芯片的也未见成功的。
不玩单片机，也有太多的方案，不在测试方法上创新，也难。
留给你们的空间本来就不多了

小鬼头

jimtien 发表于 2023-12-7 08:45
20年前的东西，价值不大啰！

玩单片机，难以超越TT。作者研究深入，从atmega8到atmega644，都有实验数据 ...

搞这个数字esr表的合作设计，本来也就玩一玩，并没有多高的期望——只是想设计出我们目前所需求、TT却不能满足的东西：能在路测试、面对带电的电解时坚固度远超TT的数字式esr表。

说到设计问题，我在本帖子初期曾就TT简单讲过自己的看法：要设计出TT，不是只靠mcu的设计技巧，还需要有足够的模拟电路知识功底作支撑。

那些想把TT移植到其他mcu芯片却不能成功的，依我看，主要原因很可能就是模拟电路知识不过关、不能完全吃透他的工作原理。

也因此，我们改变合作设计路线，改为参考676楼来做，首要的任务是把的原理完全搞清楚，而这是我们当前正在做的。待把原理搞清楚后，才有机会发展出新功能来（比如增加薄膜电容的容量测量功能）。

小鬼头

abbey_tom 发表于 2023-12-6 21:36
这个正好是我想要提的方案，
上次准备好的3元钱的MCU，
本身就带有DAC的，

不知道你说的“内部虚拟锯齿波”是怎么实现的。

对于没有dac的单片机，我倒是想到有这样一种省去原锯齿波发生器电路的办法：使用pwm方法来生成锯齿波电压。这样，可能仅需外接rc元件各1只。

小鬼头

washu 发表于 2023-12-6 21:53
锯齿波是基于它那个没有 ADC 的单片机要实现 ADC，现代单片机都有 ADC，不需要

TT 用的 M328 内部就 ...

回头看了一下，你是在17楼里推荐TT方案的。那时候我就说我不懂单片机，让abbey考虑循着TT这条路线自己去做。

而TT的设计，除了要依靠MCU自身的一些独特特性外，他的工作原理部分也不容易理解（这是我简单看过17楼所贴内容后的印象）。可能是abbey吃不透他的原理，所以没进入此路线。而我对MCU的应用本来就提不起兴趣，加上TT所用单片机不具普遍性，觉得对他作深入研究，得益不会很多，所以，也没有对TT作过认真研究。

现在676楼的电路比较简明易懂，循着他来做，则容易实现合作设计的目的。

washu

小鬼头 发表于 2023-12-7 10:25
回头看了一下，你是在17楼里推荐TT方案的。那时候我就说我不懂单片机，让abbey考虑循着TT这条路线自己去 ...

AVR 曾经就是主流单片机，当年不止 TT，包括矿坛一度流行的 M8 电源、M8 电子负载等都是基于 AVR 的 我的 Voltgen 也是 AVR 的（M32），可惜 Atmel 决策层书包，放着好好的电子元件市场不做跑去和水果混，事实证明和水果厮混的大多数没有好下场

TT 最初没有 ESR 功能，用 STM32 可实现 TT 除了 ESR 之外的其它部分。ESR 功能我前面提到，它和 AVR 的 IO 特性有关，理论上讲 STM32 可以实现，但我用的也是 AVR，所以也不关心如何用其它单片机去实现 ESR 功能了，其他人暂未看到能用第三方单片机实现，可能一个方面是不容易理解这个测试原理，另一方面是需要从模电角度理解单片机 IO 特性，也许不太容易吧



我用另外的方法在 AVR 上 实现了一个 ESR 表，但还是不如 TT，人家的方案可能确实是最优的。

至于你提到那个用的是 Z80，包括经典巫妖在内，它们的 IO 特性和 AVR 不一样且没有片内 PGA，因此类似原理的实现会复杂得多。我的意思是，竟然还没有人能在 STM32 上实现这 TT 的（你也称之为脉冲法）测量 ESR 的，为何不试试

不过，姑且先这样吧，把 STM32 当经典的 Z80/巫妖单片机，用更复杂的模拟电路去做一个也未尝不可

小鬼头

washu 发表于 2023-12-7 11:18
AVR 曾经就是主流单片机，当年不止 TT，包括矿坛一度流行的 M8 电源、M8 电子负载等都是基于 AVR 的   ...

我们现在改换路线后，正朝着TT的设计方向前进。

虽然以前我就知道，改在时域处理信号后，很多模拟电路以前不能干的事都可以在MCU的帮助下简单地予以解决，但我不懂MCU，没有实际实践过，这次有合作伙伴作后盾，因此就尝试一把这样的设计。

根据当前的研究分析进展情况估计，采用合适的单片机（内置有ADC和运放，DAC则可有可无）后，我们最终设计出来的数字ESR表，也将会是一个外围元件很精简的设计：除了保护电路需用到半导体器件外，仅需若干只电阻、电容。

1、之所以必须要有运放。是因为要满足在路测试的要求，信号电平低。

2、保护电路难免要使用半导体器件。

扣除以上2项外，MCU外围就仅有电阻电容，没有“模拟电路”，基本做到向TT看齐。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2023-12-7 09:52
不知道你说的“内部虚拟锯齿波”是怎么实现的。

对于没有dac的单片机，我倒是想到有这样一种省去原锯 ...

原电路中的锯齿波只是提供了一个比较器的基准，
某时刻的值是可以通过运算直接计算出来的，
我姑且称之为虚拟锯齿波
将这个虚拟锯齿波的值直接和ADC的值进行比较即可。

这样的话，
就既不需要DAC，也不需要内置硬件比较器。

abbey_tom

小鬼头 发表于 2023-12-8 10:58
我们现在改换路线后，正朝着TT的设计方向前进。

虽然以前我就知道，改在时域处理信号后，很多模拟电路 ...

MCU是数字器件，
一般是不带运放的，
需要运放的话一般要外置，
有些ADC有内置的PGA，
对输入的模拟信号进行可编程的前置放大。
但这种内置PGA的ADC，
一般通用的带ADC的MCU也是没有的。

abbey_tom

washu 发表于 2023-12-7 11:18
AVR 曾经就是主流单片机，当年不止 TT，包括矿坛一度流行的 M8 电源、M8 电子负载等都是基于 AVR 的   ...

/*TT所用的AVR单片机与STM32在端口控制上的差异
AVR每8个引脚为一组，通过两个寄存器控制其输出输入特性
其中DDRx为方向寄存器，PORTx为端口特性寄存器,即：
//DDRx定义数据方向,即输入或输出;对应位为 0：输入；1：输出
//PORTx为将内部上拉电阻的状态,对应位为   0：无拉；1：上拉
//通过另一个寄存器PINx可以读取外部引脚的状态.
//以下是三者对应关系:    (假设DDRx.n,PORTx.n如下,PINx.n悬空)
//DDRx.n        PORTx.n                        PINx.n(悬空时的读值)
//  0                 0                                         x : 输入, 高阻态, PINx.n的值不确定.          对应浮空输入或模拟输入
//  0                 1                                         1 : 输入, 上拉, 值为1.                                                                对应上拉输入(比如按键输入等)
//  1                 0                                         0 : 输出0, 非上拉                                                                                        对应开漏（或推挽？）输出，强接地  
//  1                 1                                         1 : 输出1, 上拉.                                                                                        对应推挽输出H，强接VCC
寄存器都是8位，可以同时对8个引脚进行操作。
三个寄存器的助记符分别为（以PORTA为例）：DDRA、PORTA、PINA，再以PA3（实际PA3=3方便对具体位进行操作）
可见，端口的操作是比较快捷方便的，以输出为例，只须两步每步各设置一个BIT就可以完成配置和输出
1、完成配置，即设置DDRx.n为1，即配置为输出
2、完成端口输出，即设置PORTx.n，为0即强拉到地，为1则上拉到VCC

TT的软件设计在端口的操作上也是根据AVR的上述特性，控制得比较高效的。
ADC 选择PC0 PC1 PC2
低电阻端口选择PB0 PB2 PB4
高电阻端口选择PB1 PB3 PB5
以6个电阻端口来看，选择是B组6个连续的引脚
先通过以下宏定义为引脚名赋值
#define PIN_RL1                 PB0   //电阻端口的引脚读值
#define PIN_RL2                 PB2
#define PIN_RL3                 PB4

#define PIN_RH1                 PB1
#define PIN_RH2                 PB3
#define PIN_RH3                 PB5
然后定义一张引脚掩码表得到对应端口的掩码：
const u8 PinRLtab[] = {(1<< PIN_RL1),(1<< PIN_RL2),(1<< PIN_RL3)};
const u8 PinRHtab[] = {(1<< PIN_RH1),(1<< PIN_RH2),(1<< PIN_RH3)};       
即
PinRLtab[3] = {1,4,16}; PinRHtab[3] = {2,8,32};
探头定义为：
#define TP1                 PC0   //即探头号定义为0、1、2
#define TP2     PC1
#define TP3     PC2
这样，就可以很方便检索，不同探头所连的不同电阻的端口的掩码
如TP2所连的低阻端口为PinRLtab[TP2]即PinRLtab[1]=4=0B00000100
如果想将TP2、TP3所连的两个低阻同时接地，
则可以将两个掩码相或，即PinRLtab[1]｜PinRLtab[2]＝0B00010100
正好可用于对这个两个端口同时进行配置：
DDR_RL=PinRLtab[1]｜PinRLtab[2]
PORT_RL=PinRLtab[1]｜PinRLtab[2]
使得代码非常简洁优美。

小鬼头

小鬼头 发表于 2023-12-6 16:59
676楼的外国数字式电容ESR表电路原理分析之三
   

676楼的外国数字式电容ESR表电路原理分析之四


     在此，先对前面分析三的疏漏作出更正。

      分析三的第3张图（即下图），相关表述不准确。此图中画出的比较器输出波形，其实只是MCU“看到”的波形。



     比较器的实际输出波形，应为下图上方的样子。由于MCU是在充电脉冲结束、放电即将开始那一瞬间（即图上方的多个小箭头所指），对比较器的输出状态进行检测的，其他时间里MCU被遮住了眼睛，因此，MCU“看到”的波形是本图下方的样子。下方的波形，可视作为经MCU“处理”后的比较器输出等效波形。




     七、基本测量模型的误差分析

    1、电容容量（容抗）带来的误差影响

     由分析一可知，测量原理的Vo检出电压关系式是：Vo=Id*t/C+Id*ESR。此式两边除以Id，可得到检出的总阻抗是Rt=t/C+ESR。
     此式表明，本仪表实际检测出来的阻值，包含有电容的“容抗”t/C。电容容量越小，这个容抗就越大，由此带来的测量误差就越大。由于此表设定充电脉冲宽度为t=8uS，因此，对于容量为1u的电容来说，他的“容抗”为8Ω。也就是说，在理论上，本仪表测量1u电容时，他测出来的ESR值总是比真实值高出8Ω。类似地，测10u电容测得的ESR值总是比真实值高出0.8Ω，测100u电容测得的ESR值总是比真实值高出0.08Ω。
     以上是考虑电容容量（容抗）带来的误差影响。下面，再研究一下电容的等效串联电感ESL带来的误差影响
   
    2、电容的等效串联电感ESL带来的误差影响

    由电路知识可知，用一个脉冲驱动一个电感，他将在脉冲的上升沿和下降沿激发出一个串峰电压。如下图

   

   再用仿真软件看一看加入了ESL后的测量模型检出电压Vo的情况。如下图



   可看到，在我们MCU检测比较器输出状态时的那一瞬间附近，出现了一个向下的电压尖峰。这个尖峰往往是呈阻尼衰减的，其尖峰幅度是由电感量、脉冲下降沿的陡峭度（下降沿时间tf）、电感的Q值等一系列因素决定的，计算起来可不容易。但幸运的是，MCU是在尖峰出现之前那一刻进行检测的，因此，这个尖峰不会给测量带来实际影响。退一步来说，纵使有影响，我们可以让MCU将检测时间稍稍提前一些，这样，就能让其影响变为零。

  综上所述，ESL带来的误差为零，不会给测量结果造成影响。

   八、充电脉宽参数的设定及其影响
   
   这块外国数字式ESR表，将充电脉宽设为tc=8us，是综合考虑的结果。

   1、现在充电脉宽为8uS，对AC放大器、比较器速度性能所提出的要求，大致上等同于周期为16uS、即频率为62.5kHz的方波信号。如果将tc时间缩短，就会对AC放大器、比较器的速度性能提出更高的要求。

   2、如果将tc时间延长，就会相应增加前面所述的“容抗”所带来的影响，令ESR表的适用范围变小。

    根据我常用的普通电解ESR值参考极限值表，1u电解的极限参考值是50Ω（50u是20Ω，100u是10Ω），现在tc=8us的设定下，实际测量结果所附带的8Ω误差值，已离这个极限值不远，但属于尚可使用。因此：
     （1）tc=8us的设定下，决定了此表仅适用于检测容量为1u以上的电解。
     （2）tc的时长不宜再增加，否则，在检测小容量电解（好坏）时，容易造成误判。